近日，我院在大尺寸导电金刚石功能材料研究方面取得重要进展，相关研究成果以“Centimeter-sized diamond composites with high electrical conductivity and hardness”为题于2024年02月20日在线发表于国际权威期刊《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。我院杨西贵教授、臧金浩博士和赵兴举副教授为论文共同第一作者，我院程少博教授、吉林大学刘冰冰教授和我院单崇新教授为论文共同通讯作者，郑州大学物理学院为第一通讯单位。

金刚石作为自然界中硬度最高的物质，被誉为现代工业“牙齿”，广泛应用于航空航天、精密加工、油气钻探等涉及民生和国防的重要领域。由于金刚石的密堆积结构和饱和的强共价键，导致其具有较低的断裂韧性和差的导电性，极大地限制了金刚石的应用范围。长期以来，金刚石的硬度/韧性、导电性存在相互排斥的矛盾，是该领域亟待解决的关键科学问题。开发综合性能优异的大尺寸金刚石功能材料成为科学界和产业界不懈追求的目标。

厘米级大尺寸导电金刚石的维氏硬度和室温电导率

针对上述难题，研究团队提出sp³向sp²键逆向相变策略，同时自主发展了基于国产六面顶压机的大腔体二级增压技术，以纳米金刚石为前驱体，在温和的压力/温度条件下开发了厘米级尺寸导电高韧金刚石复合材料（Diaphene）生长工艺。在该金刚石复合材料中，由金刚石表面石墨化所产生的少层石墨烯均匀分布在纳米金刚石颗粒基体中，通过sp²/sp³共价键相互连接。理论计算表明，不同于传统石墨-金刚石相变所需的苛刻合成条件，金刚石-石墨逆向相变过程具有较低的相变势垒从而保证了温和的合成条件。该金刚石复合物展现了金刚石所不具备的导电性和韧性：室温电导率高达2.0´10⁴S/m；维氏硬度为42.5-55.8GPa；断裂韧性为10.8-19.8 MPa m^1/2，与商用硬质合金相当。该金刚石复合物的成功制备实现了材料硬度、断裂韧性和导电性的协同优化，解决了金刚石材料无法兼具超硬、高韧和导电性的科学难题。该研究提出的金刚石向石墨逆向转变的新策略和发展的大腔体二级增压的新技术，为大尺寸导电金刚石块材的规模化制备提供了可行途径。

该工作得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程项目等经费的资助。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2316580121.